一种近地表土壤游离气采样装置与方法

本发明涉及一种土壤游离气采样装置与方法，具体是一种可减少环境空气污染的近地表土壤游离气采样装置与方法，属于地球化学勘探。

背景技术：

1、土壤游离气是土壤结构组成的空间的空隙中所存在的气体的统称。地下油气藏的轻烃微渗漏现象及废弃煤矿富气采空区的煤层气微渗漏现象会在近地表造成土壤游离气与吸附气的组分异常，通过对近地表土壤游离气的采集和分析，可以探测或圈定地下富油(气)区和地下采空区游离煤层气富集区。

2、现有技术中，土壤游离气的采集主要有以下几种方式：1、如授权公告号为cn216207945u的中国实用新型专利《一种土壤气采集装置》，选用螺旋钻头并将抽气装置设置于中空钻杆内，通过人工转动钻杆的方法进行定点定深度的土壤气取样，该方式为边钻边取式，在钻杆旋入土壤后，钻杆外壁与土壤间的空隙无法完全封堵，因此容易导致所采土壤气样品中掺杂有环境空气；2、如授权公告号为cn106018004b的中国发明专利《一种被动式土壤气体采集方法》，取样孔钻孔完成后，将吸附柱芯悬于取样孔内指定取样深度，取样孔孔口密封，等待吸附柱芯吸附孔内气体，该方式为先钻后取式，在密封孔口的过程中，环境空气可以进入取样孔内，因此同样会导致所采集样品掺杂环境空气，且吸附柱芯所吸附的气体为整个取样孔内的气体，并非某一深度范围的土壤气；3、如授权公告号为cn211904825u的中国实用新型专利《一种用于地球化学勘探的土壤气采集装置》，取样孔钻孔完成后利用加长杆将安装有过滤网和防水膜的采气装置放入取样深度进行取样，该方式为先钻后取式，利用采气装置内负压采气，但仅底端设有膨胀胶囊，因此无法将取样孔的取样深度范围密封为密闭空间，同样无法排除放入采气装置时进入孔内的环境空气的影响；4、如授权公告号为cn209858292u的中国实用新型专利《一种土壤气分层采集装置》，取样孔完成钻孔后，将采气圆管改装后作为取样装置放入取样孔内，通过填充石英砂、膨润土等滤料以达封闭效果，取样孔封闭后洗井，等待气体富集后采用泵抽的方式完成采样，该方式为先钻后取式，可以实现不同深度的土壤气取样，但采样工序复杂、填料无法重复使用；5、如授权公告号为cn207964390u的中国实用新型专利《一种便携式土壤气采集器》，将取气筛管和导管与钻头连接，钻杆外套于导管，取样孔完成钻孔后取出钻杆，钻头与取气装置留于取样孔内，将孔内抽至负压后封孔，等待气体富集完成后通过密封处抽去气样，该方式为先钻孔后取样式，所取气样为整个取样孔深度内的土壤气，无法完成某一指定深度范围的土壤气取样。

3、综上所述，近地表土壤游离气的采样方法可以分为边钻孔边取气样和先钻孔后取气样两大类。钻孔形成后再利用取样装置取样的先钻孔后取气样方式，在钻孔形成后，环境空气会进入钻孔，导致钻孔中气体为环境空气与土壤游离气的混合物，由于微渗漏造成的土壤游离气异常组分，尤其是轻烃，其含量往往是ppm级别，当环境空气混入后会影响土壤游离气关键组分含量。如不封堵钻孔并排出钻内环境空气，直接利用取样装置采集钻孔内土壤游离气样品，会造成土壤游离气关键组分含量的测试误差，从而影响土壤游离气关键指标在地表地球化学勘探中的解译与应用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种近地表土壤游离气采样装置与方法，基于野外原位采样的需要，能够在实现便于携带和操作的前提下实现较高的采样精度，进而提高近地表土壤游离气化探精度，特别适用于近地表土壤游离气采样。

2、为实现上述目的，本近地表土壤游离气采样装置包括采气探针、可移动式封孔部分和气体单向密闭采集部分；

3、采气探针的中空管体的底部设有进气筛孔及过滤网，采气探针顶端设有采气探针头把，采气探针头把上设有与采气探针贯通的采气探针头把排气口；

4、可移动式封孔部分包括膨胀胶囊、保压阀门和便携充气泵；膨胀胶囊包括内壁和外壁、且内壁和外壁围成环形空腔结构，膨胀胶囊通过其内壁套接在采气探针上，膨胀胶囊的顶端设有胶囊进气口，保压阀门的两端分别通过充气软管与胶囊进气口和便携充气泵连接；

5、气体单向密闭采集部分包括截止阀、负压气体取样器和真空采气袋，截止阀包括截止阀ⅰ和截止阀ⅱ，负压气体取样器包括负压腔以及分别与负压腔连通的取样器进气口和取样器排气口，取样器进气口通过截止阀ⅰ及采样软管与采气探针头把排气口连接，取样器排气口通过截止阀ⅱ与真空采气袋的采气袋阀门连接。

6、作为本发明的进一步改进方案，取样器进气口上设有负压腔负压条件下允许进气、负压腔正压条件下不允许排气的单向阀，取样器排气口上设有负压腔负压条件下不允许进气、负压腔正压条件下允许排气的单向阀；和/或，取样器进气口的截止阀ⅰ是负压腔负压条件下允许进气、负压腔正压条件下不允许排气的单向截止阀，取样器排气口的截止阀ⅱ是负压腔负压条件下不允许进气、负压腔正压条件下允许排气的单向截止阀。

7、作为本发明的进一步改进方案，膨胀胶囊的顶端安装连接有沿竖直方向设置的伸缩杆。

8、作为本发明的进一步改进方案，保压阀门上设有压力表。

9、作为本发明的进一步改进方案，充气软管和/或采样软管上设有快接插头。

10、作为本发明的一种实施方式，负压气体取样器是包括取样器活塞杆的活塞缸结构。

11、一种近地表土壤游离气采样方法，具体包括以下步骤：

12、step1，在工区内布设采样点，确定取样孔半径和取样孔深度；

13、step2，在采样点上钻孔形成取样孔；

14、step3，将膨胀胶囊套接在采气探针上后，通过充气软管连接保压阀门及便携充气泵，通过采样软管连接负压气体取样器；

15、step4，向取样孔内下入采气探针，并控制膨胀胶囊沿采气探针的轴向方向移动至设计封孔位置，启动便携充气泵对膨胀胶囊进行充气实现密闭封孔、采气探针定位以及膨胀胶囊内壁与采气探针之间的密封，关闭保压阀门对膨胀胶囊进行保压后关闭便携充气泵；

16、step5，计算密封孔腔的体积，计算公式如下：

17、

18、式中：v为密封孔腔的体积，单位m3；r为取样孔半径，单位m；l为取样孔深度，单位m；l3为膨胀胶囊顶端距离孔口的距离尺寸，单位m；l2为膨胀胶囊的长度尺寸，单位m；

19、step6，设定负压气体取样器的抽排体积不小于密封孔腔的体积v后，先关闭取样器排气口的截止阀ⅱ，再启动负压气体取样器将密封孔腔内的残留空气抽出至负压腔，然后关闭取样器进气口的截止阀ⅰ，控制负压气体取样器将负压腔内的残留空气通过取样器排气口排空后，将真空采气袋的采气袋阀门与取样器排气口密闭安装连接；

20、step7，等待时间大于采样工区近地表土壤气体富集时间后开始采样，启动负压气体取样器将密封孔腔内的土壤气抽出至负压腔，然后关闭取样器进气口的截止阀ⅰ，打开取样器排气口的截止阀ⅱ后打开真空采气袋的采气袋阀门，并控制负压气体取样器将负压腔内的土壤气通过取样器排气口排出至真空采气袋，负压腔完全排空后关闭真空采气袋的采气袋阀门，完成土壤气采样；

21、step8，断开便携充气泵与保压阀门之间的连接后打开保压阀门对膨胀胶囊进行泄压，将采气探针和膨胀胶囊自取样孔内取出。

22、作为本发明的进一步改进方案，完成一个取样孔的土壤气采样并取出后采气探针和膨胀胶囊后，控制负压气体取样器抽排环境空气对气体运输管路进行清洗。

23、与现有技术相比，本近地表土壤游离气采样装置与方法具有以下优点：

24、1、操作简单、便于携带，所需实施空间小，能够满足野外研究区近地表原位土壤游离气原位采样的需要；

25、2、通过可移动式封孔部分可实现在设计深度密封钻孔，使设计深度之下的钻孔范围内形成与环境空气隔离的密封孔腔，膨胀胶囊可以实现取样前封孔、取样时保压密封、取样后泄压的操作，操作简单高效，可大幅减少环境空气对设计取样层位的土壤气的影响；

26、3、通过气体单向密闭采集部分可抽排密封孔腔内被环境空气污染的混合气体，等待土壤游离气富集时间后可对设计取样层位的土壤气进行采集，通过控制截止阀ⅰ和截止阀ⅱ的启闭顺序配合负压气体取样器的抽排，可以实现保证密封孔腔内的气体的单向密闭运移，进而避免密封孔腔内的气体与环境空气的接触而造成污染，实现较高的采样精度，进而实现提高近地表土壤游离气化探精度。